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习题 3.16

为 Hilbert 空间, 为非空子集. 求证: 中包含 的最小闭线性子空间, 即若 的闭线性子空间, 且 , 则必有 .

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

证明

首先,对任意子集 的闭线性子空间。这是因为对每个 ,映射 连续,故 为闭集;且容易验证 是线性子空间。从而 均为 的闭线性子空间。

其次,证明 。任取 ,对任意 ,由正交补的定义有 ,因此 。故

最后,证明 是最小的具有此性质的闭线性子空间。设 的闭线性子空间,且 。则

  • 可得 (若 ,则对任意 ,特别地对 也成立,故 )。
  • 对包含关系 取正交补,得到 (一般地,若 ,则 ;再取正交补即得 )。
  • 由于 是闭线性子空间,根据投影定理有 ,从而

因此

综上所述, 中包含 的最小闭线性子空间。